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Uso Racional y eficiente de la Energía Etapa 3. Energías del Mar Documento de referencia1
Dr. Jaime Moragues Abril de 2015
1 Este documento fue elaborado por el Dr. Jaime Moragues. Se trata de un material técnico para facilitar el trabajo de la Mesa de Implementación. Las opiniones expresadas en este documento pueden no coincidir con la posición que finalmente asuma el Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación Productiva de la Nación.
CONTENIDO
1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................ 2
1.1. Energía mareomotriz .......................................................................................... 3
1.2. Energía cinética de las mareas .......................................................................... 4
1.3. Energía de las Olas o Undimotriz ....................................................................... 5
2. ANTECEDENTES A NIVEL MUNDIAL ................................................................... 7
3. ARGENTINA ...................................................................................................... 8
3.1. Antecedentes..................................................................................................... 8
4. ÁMBITOS DE INTERVENCIÓN .......................................................................... 11
4.1. Curso de Acción: Evaluación del recurso energético ....................................... 11
4.2. Curso de Acción: Desarrollo de tecnologías de sistemas de aprovechamiento
de la energía del Mar .............................................................................................. 12
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1. INTRODUCCIÓN
Los mares constituyen una enorme fuente de energía, disponible en diversas formas.
Es posible extraer ésta a través del aprovechamiento de diversos procesos que
ocurren en su seno:
La diferencia de nivel entre pleamar y bajamar originada por las fuerzas
gravitatorias de la Luna y del Sol, a través de:
- El salto propiamente dicho (energía mareomotriz).
- Las corrientes generadas por las mareas.
Las olas, formadas por acción del viento.
La diferencia de temperatura entre la capa superficial (calentada por el sol) y la
capa profunda del mar (gradiente térmico de los mares).
La diferencia de temperatura entre reservorios geotérmicos de baja entalpía
cercanos al mar y el agua fría de éste.
La biomasa marina (energía biótica).
Las corrientes marinas.
La diferencia de potenciales químicos debidos al gradiente de salinidad entre el
agua de mar y el agua dulce de los ríos al desembocar en aquel.
Todas estas formas de extraer energía del mar están en desarrollo a nivel mundial a
través de diferentes proyectos de demostración. Solamente la energía mareomotriz
ha llegado a un nivel comercial.
De las diferentes maneras de aprovechamiento antes mencionadas, las más
avanzadas zona demás de la ya mencionada mareomotriz, la de corriente marina y la
de las olas, con numerosos desarrollos tecnológicos diferentes, aunque todavía
ninguno que demuestre un claro liderazgo frente a otros.
El gradiente térmico requiere que la diferencia de temperatura entre la superficie y los
600 a 900 metros bajo el mar sean por lo menos de ~5°C, lo que limita su
aprovechamiento a regiones donde la superficie del océano calentadas por el sol
tenga temperatura 25°C a 30°C, que son aquellas cercanas al ecuador.
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El aprovechamiento del gradiente térmico entre la temperatura de un reservorio
geotérmico de baja entalpía (~50 ºC) cercano al mar y la del agua a una profundidad
razonable (~ 15 ºC a 200-400 m), permite generar un ciclo de Carnot interesante.
Por su parte, el aprovechamiento de la biomasa marina abre una gama de
aprovechamientos de algas marinas muy interesante.
En cuanto al aprovechamiento de las corrientes marinas, éste se limita a ciertas
zonas y la tecnología empleada es similar a la desarrollada para las corrientes
generadas por las mareas.
La última alternativa, referida a la diferencia de potenciales químicos, se encuentra
aún en un estadio de estudio, a nivel de propuesta.
Por otro lado, el mar genera un desafío particular por ser un medio hostil y corrosivo,
y los equipos en muchos casos se deben operar lejos de las costas, lo que obliga a
que tengan una robustez y confiabilidad especial.
1.1. Energía mareomotriz
La amplitud de mareas no es la misma en todos los lugares; nula en algunos mares
interiores (como en el Mar Negro, entre Rusia y Turquía); de escaso valor en el
Mediterráneo (en el que solo alcanza entre 20 y 40 centímetros); y es igual de débil
en el océano Pacífico. Por el contrario, alcanza valor notable en determinadas zonas
del océano Atlántico.
La construcción de una central mareomotriz es sólo posible en lugares con una
diferencia mayor a 5 metros entre la marea alta y la baja. Esto limita su
aprovechamiento a algunos lugares especia-les, como se muestra en la Figura 1.
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Figura 1: Mapa mundial de alturas de marea media [2]
Como se observa, el mar que rodea la Argentina se encuentra entre los lugares con
mayor altura de marea media.
1.2. Energía cinética de las mareas
Las grandes mareas generalmente producen fuertes corrientes que entran y salen a
una bahía, especialmente en lugares con estrechamientos. Allí, aunque la subida y
bajada del mar no es importante, se puede aprovechar la energía cinética del agua.
Se utilizan las corrientes originadas por las mareas mediante diferentes dispositivos
que funcionan para flujos en ambas direcciones, durante el ascenso y el
descenso de las mismas. Este principio también puede utilizarse para el
aprovechamiento de las corrientes marinas.
[2] Ocean Energy. Technology readiness, patents, deployment status and outlook. International Renewable Energy. Agency. August 2014. http://www.irena.org/menu/index.aspx?mnu=Subcat&PriMenuID=36&CatID=141&SubcatID=445
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1.3. Energía de las olas o undimotriz
Las olas en el mar son el resultado del efecto del viento sobre la superficie del agua.
Se define a la energía undimotriz a aquella que se obtiene a través de la captación de
la energía cinética y potencial contenida en el movimiento de las aguas de los
océanos y mares.
Como recurso, la energía de las olas tiene la ventaja de previsibilidad relativamente
buena para las condiciones de estado de mar (utilizando métodos y redes de medida
desarrolladas en beneficio de las industrias existentes offshore). Aunque hay
estacionalidad, con mayores condiciones de oleaje experimentadas en invierno que
en verano en la mayoría de las localizaciones, las olas llegan día y noche, y los
estados del mar tienen más inercia que las condiciones de viento/solar, con menos
posibilidades de cambios bruscos en el potencial de recursos.
Las condiciones de oleaje más energéticas pueden encontrarse principalmente entre
las latitudes de 30° a 60° en ambos hemisferios, norte y sur, como se puede observar
en la Figura 2, con los mayores niveles de potencia que ocurren en las costas del
oeste de los continentes. La zona de los vientos alisios (de 0° a 30° de latitud) provee
un recurso más estable, aunque de menor intensidad.
Como se observa de la Figura 2, la zona sur de la costa Argentina es la que tiene
mayor posibilidad de disponer de energía de las olas en valores importantes.
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Figura 2: Distribución global anual de la energía de las olas en mar abierto en kW/m
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2. ANTECEDENTES A NIVEL MUNDIAL [3]
Como se ha mencionado las tres formas de aprovechamiento de la energía con
mayor grado de desarrollo a nivel mundial es la mareomotriz, que además es la única
que ha alcanzado algún un nivel comercial, habiéndose instalado 6 centrales que
tienen potencia desde 254 MW a 4 kW. Para la de energía cinética de las mareas y la
undimotriz, existen instalaciones prototipo generadoras de energía.
Detalle de los sistemas antes mencionados se pueden ver en el Catálogo presentado
en noviembre del 2014 por el Grupo de Interés en Energías del Mar Argentino
(GEMA)[4].
El gradiente térmico y la diferencia de potenciales químico están aún en una etapa de
investigación. La biomasa marina (energía biótica) requiere también de realizar
investigación y desarrollo de las algas que se encuentran en su seno, que si bien son
muy promisorias, no han alcanzado nivel comercial.
[3] http://www.siemar.com.ar/ [4] GEMA-Catalogo_Energias_Marinas_1Ed.pdf.
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3. ARGENTINA
La Argentina tiene una línea de costa de 5.117 km y una franja oceánica con un área
de 960.000 km², desde el Río de la Plata hasta las islas Malvinas inclusive, que puede
considerarse como una de las mayores del mundo. La presencia e influencia de dos
ondas de mareas determinan una característica preponderante para el
aprovechamiento natural de las mismas a lo largo de su extenso litoral marítimo.
Recorriendo sus características propias asociadas con estos fenómenos naturales, si
bien es fundamental la evaluación del recurso para una adecuada selección de
lugares y definición de las características de los equipos para su aprovechamiento,
es posible definir un escenario potencial para el uso energético sustentado tanto en
las mareomotriz, como en las corrientes asociadas a ellas y la undimotriz, quedando
como desafío estudios de investigación y desarrollo el gradiente salino en las
desembocaduras de los ríos, la biomasa a base de las macroalgas marinas y el
gradiente térmico a partir de reservorios geotérmico costeros.
El aprovechamiento mareomotriz se da desde Viedma hasta Tierra del Fuego con
amplitudes de mareas de 4 m hasta 20 m, la energía de las olas se da en la costa de
Chubut y Santa Cruz con potenciales de 10 a 30 kW/m lineal de frente de ola y el
aprovechamiento de las corrientes marinas se puede dar en lugares puntuales como
ser la desembocadura del río Deseado o la de Río Gallegos [5].
3.1. Antecedentes
Hay cierta experiencia en el tema de aprovechamiento de la energía del mar en el
país. La más extensa está constituida por los estudios realizados en la Península de
Valdés. Los niveles de oscilación de ambos golfos están desfasados entre 4 a 6
horas, llegando la diferencia de nivel entre 5 y 8 m. Cuando el Golfo Nuevo está en
pleamar, el Golfo de San José está en bajamar y viceversa. Los diferentes estudios
han propuesto aprovechamientos diversos con potencias de 2.000 a 5.000 MW y una
[5] ct.unpa.edu.ar/files/ICT-UNPA-40-2012.pdf
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generación máxima anual de 33.800 TJ. Los costos han postergado siempre la
concreción de estos aprovechamientos. Sin duda, el mayor inconveniente que
presentan todas las propuestas, además del económico, es el impacto ecológico
dado que allí se encuentra un enorme reservorio natural donde las ballenas van a
tener sus crías, por lo que se requiere de una investigación más detallada y profunda
para alcanzar el equilibrio entre la posibilidad de aprovechamiento energético que
brinda la península y su ecosistema.
Hay algunos grupos trabajando en diferentes temas de aprovechamiento del mar que
están resumidos seguidamente.
Universidad Nacional de la Patagonia Austral, Unidad Académica Caleta Olivia [6].
Propuesta de un banco de pruebas de equipos conversores y análisis de potencial.
Grupo de Undimotriz, Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Buenos
Aires. Diseño y fabricación de un dispositivo de sistema de boyas oscilantes que
transforma la energía undimotriz en fluido eléctrico[7].
Estudio del recurso energético marino en la Patagonia Austral. Instituciones: Y-
TEC, UTN-Facultad Regional Santa Cruz, Centro Nacional patagónico (CENPAT),
INVAP, Provincia de Tierra del Fuego, Centro Austral de Investigaciones
Científicas(CADIC). Instalación de dos boyas Axys y Wavescan para medir el
recurso marino en la región (temperatura del agua, altura de olas, velocidad de las
mareas, etc.) [8].
Universidad Nacional de La Plata e Instituto Superior de Ingeniería de Toulon y Var
(ISITV –Francia). Estudio de Columna de agua oscilante (cao) y turbina axial de
Flujo reversible (TAFRE).
Área Ingeniería del INVAP [9]. Desarrollo de turbina hidrocinética para
aprovechamiento de las corrientes de mareas.
Universidad Tecnológica Nacional, Regional Bahía Blanca. Panorama actual del
recurso mareomotriz en el mundo y el desafío del aprovechamiento del estuario de
Bahía Blanca [10].
[6] http://secyt.unpa.edu.ar/journal/index.php/ICTUNPA/article/view/ICT-UNPA-40-2012 [7] http://www.ina.gob.ar/ifrh-2014/Eje4/4.05.pdf [8] http://www.conicet.gov.ar/boyas-metoceanicas-para-analizar-el-potencial-energetico-del-mar-argentino/ [9] http://www.biel.com.ar/PDF/Brendstrup_2.pdf [10] I Congreso Argentino de Energías Sustentables. FR Bahía Blanca.
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En el Catálogo Energías Marinas de GEMA se mencionan algunos desarrollos
privados a saber:
- Modulo Convertidor de Energía de las Olas. Alberto Vilar;
- Dispositivo Captador de Energías de las Olas (Patente 070104994). Javier
Themtham, Luis Kayayán y Alfredo Soto. (Pilar – Provincia de Buenos Aires);
- Sistema de generación de energías en base a las mareas oceánicas
(Patentado), Patricio Bilancioni (Puerto Deseado).
En el ámbito del relevamiento del recurso energético del mar se ha identificado a
reconocidos especialistas del ámbito de las Ciencias del Mar, quienes se encuentran
involucrados en la investigación y aplicación de los recursos del mar en el campo
energético. El alcance de su asesoramiento profesional se divide en dos fases: la
primera consiste en el desarrollo e identificación del potencial bruto energético
marino de nuestro litoral marítimo. Mientras que la segunda consistirá en
concentrarse en áreas focales que demuestren tener mayor potencial energético
mediante el empleo de sensores de medición de campo de última generación.
Asimismo, cabe mencionar el Seminario Internacional de Energía del Mar SIEMAR,
organizado por la Unidad Académica de Mar del Plata conjuntamente con la
Secretaría de Relacionales Internacionales (RRII) del Rectorado de la Universidad
Tecnológica Nacional (UTN) y el Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación
Productiva (MINCyT). El encuentro que congregó a prestigiosos investigadores y
científicos de país y del mundo, se llevó a cabo el 26 y 27 de Noviembre de 2014, en
el Ciudad de Mar del Plata [11] donde es posible obtener información sobre proyectos
internacionales y nacionales.
[11]
http://sicyt.scyt.rec.utn.edu.ar/scyt/noticien/noticias/noticias14/noviembre/adjuntos/siemar%20triptico.pdf
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4. ÁMBITOS DE INTERVENCIÓN
Nuestros océanos suponen una fuente inagotable de energía limpia que ha de ser
tomada en mayor consideración. Nuestro país tiene un compromiso con la aplicación
y generación energética renovable, no sólo de cara al compromiso global de
reducción de emisiones de gases de efecto invernadero, sino también en cuanto al
aumento en la seguridad e independencia energética del país, beneficios económicos
y creación de empleo asociados al desarrollo de una nueva industria y su necesaria
cadena de suministro.
Por tanto, el escenario planteado exige el conocimiento del recurso detallado y el
desarrollo de tecnología nacional para las distintas tipologías de prototipos,
programas de demostración y redes de infraestructuras experimentales asociadas al
aprovechamiento energético de las mareas, de las corrientes, y de las olas.
Inicialmente se identifican dos cursos de acción complementarios y que se propone
trabajar en formar simultánea: 1. Evaluación de recurso energético, y 2. Desarrollo de
tecnologías de sistemas de aprovechamiento de la energía del mar.
4.1. Curso de acción: evaluación del recurso energético
Será desarrollado dentro del Programa Pampa Azul y cubrirá estudios del recurso a
través de determinación de potencial de mareas, alturas de olas, etc. y definición de
la áreas de interés.
El alcance de la tarea se divide en dos fases: la primera consiste en el desarrollo e
identificación del potencial bruto energético marino de nuestro litoral marítimo, y la
segunda consistirá en concentrarse en áreas focales que demuestren tener mayor
potencial energético mediante el empleo de sensores de medición de campo de
última generación.
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4.2. Curso de acción: desarrollo de tecnologías de sistemas de
aprovechamiento de la Energía del Mar
La diversas tecnológicas necesarias para el aprovechamiento de las energías del mar
constituye uno de los principales desafíos que presenta esta fuente de energía, pero
por otra parte esto resulta ser una de las principales barreras para su desarrollo
comercial, ya que supone una diversificación de los esfuerzos en investigación y
desarrollo e inversiones muy importantes. Bajo esta perspectiva, parece razonable
orientar las iniciativas en Argentina, dentro del Plan Argentina Innovadora 2020 del
MINCyT, en una primera etapa a la formación de grupos para investigación y
desarrollo básicos, al desarrollo de infraestructuras de ensayos y herramientas que
faciliten la evaluación de los sistemas y hacia algunos desarrollos puntuales que
permitan conocer las diversas tecnologías para el aprovechamiento de la energía del
mar.
En particular I+D en:
La biomasa marina (energía biótica).
La diferencia de potenciales químicos debidos al gradiente de salinidad entre el
agua de mar y el agua dulce de los ríos al desembocar en aquel.
La diferencia de temperatura entre reservorios geotérmicos de baja entalpía
cercanos al mar y el agua fría de éste.
Desarrollo de algunos equipos para el aprovechamiento:
Undimotrices.
De las mareas.
De las corrientes marinas.